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Kolbenmaschine mit parallel zur Welle angeordneten Zylindern Die Erfindung
betrifft Kolbenmaschinen für gasförmige oder flüssige Arbeitsmittel, und zwar. sowohl
solche Maschinen, die nur zur Umwandlung von- Druckenergie in mechanische Arbeit
dienen, wie Druckluftmotoren und Dampfmaschinen, als auch solche, bei denen im selben
Arbeitszylinder zunächst chemische Energie in Druckenergie und dann in mechanische
Arbeit umgewandelt wird, also Verbrennungsmaschinen, und endlich auch solche, die
nur zur Umformung und Übertragung von Energie, wie Getriebe und Kupplungen, benutzt
werden.
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Es sind Maschinen dieser Art mit parallel zur Welle angeordneten Zylindern
bekannt, bei denen ein Kurvenbahnkörper sich dreht, die Kolben ohne ein Zwischenglied
auf der Kurvenbahn gleiten und dabei in Bohrungen feststehender Zylinder hin und
her bewegt werden. Andererseits sind Maschinen mit feststehendenTaumelscheiben beiderseits
eines sich drehenden Zylinders bekannt, bei denen die Kolben mittels Rollen auf
der Kurvenbahn geführt und teilweise mit Führungsstücken an der Kurvenbahn gehalten
werden.
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Eine Rolle kann auf einer räumlichen Kurvenbahn niemals einwandfrei
abrollen. Sie muß gleiten, teilweise ecken und so selbst zerstört werden oder zur
Zerstörung des sich drehenden Gleitstückes führen. Ein kugelig ausgebildeter Kolbenkopf
muß sich, da er nur mit Punktberührung auf der Kurvenbahn läuft, unter den wirksamen
Kräften in die Kurvenbahn eingraben, und zwar selbst wenn diese gehärtet ist und
so zur Zerstörung der Kolben und der Kurvenbahn führen. Bei diesen Ausführungen
ist die Kurvenbahn so ausgebildet, daß ein Abheben der Kolben eintritt. Die Kolben
werden durch dieses Abheben beim Wiederauftreffen auf die Kurvenbahn sehr stark
beansprucht und zerstört. Auch die Kurvenbahn wird durch dieses Abheben und Wiederaufschlagen
der Kolben beschädigt. Alle seitlichen Führungen der Kolben ergeben leicht ein -
Klemmen, starke Abnutzung und hohe Leerlaufleistung. Unter dem ständigen Abheben
der Kolben und unter der Wirkung der Seitendrücke, die von der Kurvenbahn her auftreten,
ergeben sich außerordentlich hohe Beanspruchungen der Zylinder und der Kolben, die
Kolben brechen sowohl unter dem Einfluß dieser Beanspruchungen als auch unter dem
Einfluß von Schwingungen, die durch das Abheben und durch die Seitendrücke und andere
Kräfte entstehen. Beobachtet man den Gang einer solchen Maschine, so sieht man,
daß die Kolben je nach Verlauf der Bahnkurve an verschiedenen. Stellen abgehoben
werden. Dieses Abheben erfolgt ganz gesetzmäßig. Auch der Verlauf der Berührung
zwischen Kolben und Kurvenbahn ist gesetzmäßig.
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Die vorliegende Erfindung gibt Lösungen, die durch eingehende Versuche
bestätigt worden sind, für die schwierige Aufgabe an, diese Mängel zu beheben. Die
Erwägungen sind dabei folgende: Die Massendruckkurve berührt die Treibmitteldruckkurve
in bekannter Weise gerade während der Grenzdrehzahl, und dies bt-.
stimmt
eindeutig den Verlauf und die Gestalt der Bahnkurve auf dem Kurvenzylinder und die
Gestalt und Formgebung der übrigen Teile, wie Kolben und Steuerung. Die Gestalt
der Bahnkurve in ihrem räumlichen r-.=f lauf, die Gestalt der Kolbenkappen und dr,
Verlauf ihrer Flächen sowie die Anordnung. der Steuerung und die Form und die zeitliche
Öffnung der Steuerschlitze werden ebenso nach dieser Anweisung festgelegt.
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Die Steuerung des Treibmittels kann entweder durch den Kolben oder
durch ein besonderes Steuerorgan im Zylinder, wenn dieser sich dreht, oder durch
ein Steuerorgan in dein sich drehenden Kurvenbahnkörper erfolgen. Es ist weiter
möglich, die verschiedenen Arten der Steuerung gleichzeitig oder etwa hintereinander
zu verwenden.
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Um unter den wirkenden Kräften zwischen Kolben und Kurvenbahn möglichst
geringe Abnutzung zu erhalten, muß die Bahnkurve so ausgebildet werden, daß die
Schmiegungsebene zwischen dieser und den berührenden Kolben möglichst gut zusammenfällt,
und dies besonders an den Stellen, wo starke Kräfte auftreten. Es ist leicht ersichtlich,
daß in diesem Falle auch die Berührungsflächen der Kolben eine ganz bestimmte gesetzmäßige
Ausbildung erhalten müssen. Z. B. läßt sich eine solche Anschmiegung am besten erreichen
durch Kolben, deren Berührungsflächen sattelförmig ausgebildet sind und deren Übergangsstellen
ganz genau bestimmte Abrundungen haben. Auch der Sattel hat eine ganz bestimmte
gesetzmäßige Form, die von der Gestalt und dem Verlauf der Bahnkurve abhängt. Bei
symmetrischer Bahnkurve, wie sie etwa durch eine Sinusliitie dargestellt wird, wird
die Sattelfläche, die den größten Kräften ausgesetzt ist, eine stärkere Neigung
aufweisen als die den kleineren Kräften ausgesetzte. Diese Sattelausbildung läßt
sich aber durch die Abstimmung der Triebwerksgewichte entsprechend der Massendruckkurve
und der Treibmittelkurve festlegen. Eine kegelförmige Kappe am Kolben mit Abrundungen
bringt ebenfalls eine Anschmiegung, allerdings nur nach einer Linie und teilweise
nur in Punkten.
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Die gegenläufige Bewegung von Kurvenbahn und Zylinder bringt neben
anderen Wirkungen vor allen Dingen auch einen Ausgleich der Kreiselwirkung, wodurch
ein ruhiger und einwandfreier Verlauf der Maschine gewährleistet wird. Die weiteren
Möglichkeiten und Angaben zum Bau von Maschinen von feststehenden und umlaufenden
Zylindern, von Maschinen mit gleichsinnig t:nd entgegengesetzt laufenden Kurvenbahnen
haben alle als Erfindungsgrundlage gemeinsam, daß ihre Treibmitteldruckkurve von
der Massendruckkurve bei der Grenzdrelizahl berührt wird.
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Eine ummittelbare Beeinflussung des Be-Iriebsverhaltens der IZaschine
ergibt sich bei @-.kolben mit Dämpfungsinassen, indem das -"eet'äusch, das durch
Schwingungen zustande #@@tnint, durch Beseitigung dieser Schwingungen verschwindet
und auch die durch die Bewegung des Kolbens auf der Kurvenbahn hervorgerufenen Schwingungen
beseitigt werden. Die Bewegung zwischen Kolben und Bahn verläuft dabei derart, daß
die Massendruckkurve die Treibmitteldruckkurve bei der Grenzdrehzahl gerade berührt.
Es ist jedoch zu beachten, daß beispielsweise bei einem Druckluftmotor die'Treibinitteldruckkurve,
etwa beim Ausschieben, auch niedriger liegen kann, als in Fig. 7 der Zeichnung angegeben.
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Auch die Kappen des Kolbens haben neben der Bestimmung, gute Verhältnisse
beim Gleiten und kleine Flächenpressungen zu gewährleisten, vor allem die Aufgabe,
den Kolben auf seiner Bahn zu führen und ihn so zu bewegen, daß er sich nicht abhebt.
Die Form der Kolbenkappe steht deshalb in unmittelbarem Zusammenhang mit der Gestalt
und dem Verlauf der Bahnkurve, die ihrerseits ja auf die Regel zurückgeht, daß die
Massendruckkurve bei der Grenzdrehzahl die Treibmitteldruckkurve gerade berührt.
Es dürfen also vor allen Dingen keine zusätzlichen Bewegungen entstehen, wie sie
beispielsweise bei einer kugelförmigen Kappe dadurch zustande kommen, daß die Berührungspunkte
der Kugel mit der Bahn wechseln und zwischen ihr und der Bahn starke Keilwirkungen
entstehen, die zu einem Abheben von der Bahn führen.
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Zur Abstimmung der Triebwerksgewichte und zur Beeinflussung der 'Massendruckkurven
kann man die Kolben als Hohlkörper ausbilden. Zweckmäßig füllt man dann die Hohlräume
der Kolben mit einer Dämpfungsmasse, die die schon angeführten Wirkungen hervorruft.
Die Kolben können ganz beliebig gestaltet sein, also abgesetzte Gleitbahnen im Zylinder
haben, aus zwei oder mehreren Stücken bestehen und besonders ausgebildete Gleitflächenkörper
tragen. Es ist weiter möglich, die die Dichtung und Führung im Zylinder übernehmenden
Kolbenstücke aus Zylinder wie Bakelit, Hartholz o. dgl., und nur die Gleitflächenkörper,
die die Kurvenbahn berühren, aus :Metall herzustellen. Die Kolben können aber auch
durch Oberflächenbehandlung, z. B. durch elektrische Einwirkung auf Aluminium oder
älniliclie Legierungen, äußerlich verfestigt werden, so daß sie besonders geeignet
sind, das Dichten und Gleiten zu übernehmen.
Solche Behandlungsverfahren
gibt es in großer Anzahl, es sind elektrische, chemische und mechanische, und zwar
sowohl für Metalle als auch Nichtmetalle. Auch durch erhöhten Druck kann man Werkstoffe
verfestigen und so gegen Verschleiß widerstandsfähig machen.
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Die Kolbenmaschine kann nun in genau gleicher Weise mit zwei Kurvenbahnkörpern
in einem oder zwei Zylindern ausgebildet werden. Die Zylinder können zu einem einzigen
zusammengefaßt werden, der entweder ganz durchbohrt ist oder nur von beiden Seiten
bis zu einer gewissen Tiefe Zylinderbohrungen in beliebiger Zahl trägt. Bei der
letzten Anordnung können die Zylinderbohrungen verschieden groß gehalten werden,
was für Hoch- und Niederdruckzylinder besonders wichtig ist. In diese zusammengesetzten
Zylinder ragen von beiden Seiten her die Kurvenbahnkörper hinein, und zwar so weit,
daß die Kolben vollständig geführt sind. Es können nun in gegenläufiger Anordnung
die Zylinder und die beiden in irgendeiner Weise zusammengekoppelten Kurvenbahnkörper
sich drehen, wobei die Zusammensetzung der- Bewegungen durch ein Getriebe beliebiger
Art erfolgen kann. Man kann mit einer solchen gegenläufigen Anordnung die Leistung
der Maschine fast um das Doppelte gegenüber einer einfach wirkenden gleicher Größe
und Bauart bei gleicher Drehgeschwindigkeit erhöhen oder, wenn die Drehzahl nur
entsprechend hoch gesetzt wird, bei gleichem Gewicht und Ausmaßen von Zylinderdurchmesser
und Hub die gleiche Leistung. erzielen wie bei einer Maschine mit nur einem Drehsinn.
Das Getriebe wird für eine solche Anordnung besonders einfach, billig und leicht,
auch die Kreiselwirkung wird aufgehoben. Die Maschine weist einen äußerst ruhigen
Gang auf. Es lassen sich aber auch die beiden Kurvenbahnkörper irgendwie zusammenfassen,
z. B. indem man sie aus einem Stück herstellt oder hohl ausbildet, in der Mitte
zusammenschraubt oder zwei Kurvenbahnkörper in eine Hülse einsetzt, also durch irgendwelche
Befestigungsarten verbindet und innerhalb des Zylinders oder zweier getrennter Zylinder
anordnet. Man kann auch hierbei beide Kurvenbahnkörper und Zylinder in entgegengesetzter
Richtung sich drehen lassen und die beiden Bewegungen wieder durch ein Getriebe
zusammenfassen oder den einen; oder anderen Teil stillsetzen. Auch bei der obengenannten
Art der getrennt angeordneten Kurvenbahnkörper kann der Zylinder festgesetzt werden
und können beide Kurvenbahnkörper sich in einer Richtung bewegen, oder es kann sich
der eine Kurvenbahnkörper nach links und der andere nach rechts bewegen. Ganz ähnlich
läßt es sich auch bei der letzteren Art ausführen; auch hier lassen sich die zusammengefaßten
Kurvenbahnkörper festsetzen und die beiden außenliegenden Zylinder in gleicher oder
entgegengesetzter Richtung drehen, was für manche Zwecke von besonderer Bedeutung
ist. Es ist noch wichtig, zu bemerken, daß der Kurvenbahnverlauf auf beiden Kurvenbahnkörpern
beliebiger Art sein kann, nur muß er den angeführten Gesetzen genügen. Es -können
dann noch die Kurvenbahnkörper außerhalb liegen und der Zylinder festgesetzt werden
und die Kurvenbahnkörper wie oben sich rechts oder links drehen. Die Zuführung des
Treibmittels kann bei allen diesen Anordnungen entweder axial von innen oder von
außen ebenso radial jerfolgen, und zwar je nachdem der eine oder andere Körper fest
oder beweglich ist.
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Um die ganze Maschine selbsttätig zu schmieren, wird eine Ringkammer
auf der Einlaßseite zur Aufnahme des Schmiermittels angeordnet, die feine Bohrungen
oder Düsen trägt und aus denen heraus das Schmiermittel unter der Einwirkung des
Treibmittels herausfließt und so in alle Triebwerksteile geführt wird. Es werden
damit geschmiert die Lager, die Steuerwelle, die Kolben, die Kurvenbahn und die
Zylinder. Zum Abfluß des Treibmittels werden entweder die hohle Welle oder Aussparungen
im Zylinder oder im Kurvenbahnkörper benutzt. Das Treibmittel wird beispielsweise
hierbei durch einen feststehenden Teil zugeführt und geht von diesem feststehenden
Teil über ein Steuerorgan in die Arbeitszylinder. Die Welle kann an ihrem Ende zur
Aufnahme von Werkzeugen, Feilen, . Schleifscheiben, Bohrern, Reibahlen, Gewindebohrern
usw. als Spannzange ausgebildet sein. Jeder be-,vegliche Teil, also auch bei den
verschiedenen Anordnungen die Kurvenbahnkörper oder Zylinder, können mit einer solchen
Spanneinrichtung versehen werden, um Werkzeuge oder Werkstücke an diesen zu befestigen.
Der umlaufende Zylinder bringt noch den weiteren sehr beachtlichen Vorteil mit sich,
daß durch Aufschieben von Schleifzylindern oder zylindrischen Feilen und ähnlichen
Werkzeugen auch eine Planbearbeitung möglich wird. Auch könnte man diesen oder die
umlaufenden Zylinder als Riemenscheiben ausbilden, um von ihnen aus Riemen oder
Bänder und damit andere Maschinen zu treiben. Auch als Reibrad oder Zahnrad ließe
sich ein solcher Zylinder benutzen.
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Eine Maschine nach der Erfindung ist in den Zeichnungen - beispielsweise
dargestellt. Die Fig. z zeigt eine Kolbenmaschine, bei der e der Kurvenbahnkörper
mit der Kurvenbahn
und c der Kolben im Zylinder a ist. Mit h ist
das untere Wellenende bezeichnet, das gleichzeitig noch als Auslaß dient und das
mit dem Kegel L zur Aufnahme von Hohlkegeln versehen ist. Die Lager k und J,' sind
jeweils rechts und links vom Zylinder angeordnet, das Lager k' auf der Steuerwelle
mit dem Ein- und Auslaß für das Treibmittel, das Lager k auf der im Zylinder befestigten
Auslaßwelle mit der Befestigungsstelle. Die Schmiermittelkammer i ist als Ringkammer.ausgebildet
und auf der Einlaßseite angebracht. In diese Kammer ragt der feststehende Steuerwellenzapfen
hinein, der gleichzeitig den Boden dieser Kammer bildet und mit entsprechenden Löchern
versehen ist, aus denen das Schmiermittel herausfließen kann.
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Die Fig. a stellt einen Schnitt A-B nach Fig. i dar und zeigt die
Anordnung des Zylinders und der Führungen für die Kolben im Zylinder, außerdem die
Aussparung für den Kurvenbahnkörper. Zylinder, Kurvenbahnkörper und Ringkammer sitzen
in einem Gehäuse d und sind somit vollständig geschützt.
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Die Fig.3 zeigt eine andere Ausführungsform für die Maschine und für
die hohle Abtriebswelle l'. Diese Abtriebswelle trägt im Innern des Gehäuses Bohrungen,
durch die das Treibmittel ausfließen kann. Außerhalb des Gehäuses d' befindet sich
eine Zangenspannung, die es ermöglicht, durch Auswechseln der Zangen s Werkzeuge
f oder Werkstücke verschiedener Durchmesser zu spannen. Das Festspannen selbst geschieht
durch Anziehen der Überwurfmutter st, entsprechend umgekehrt. das Lösen.
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Die Fig. d., 3 und 6 zeigen Ausführungsformen der Kolben, wie sie
mit Rücksicht auf die Bedingung zu bauen sind, daß die beliebige Bahnkurve und die
Kolben mit ihren Schmiegungsebenen in der Berührungsfläche möglichst gut zusammenfallen,
und dies besonders an den Stellen, wo hohe Anpressungsdrücke auftreten. Die Form
nach Fig. j bietet auch die Möglichkeit, den Kolben hohl auszubilden und mit, Dämpfungsmasse
zu füllen. Als Dämpfungsmasse können dabei Gummi, Guttapercha, Holz und ähnliche
Stoffe Verwendung finden. Die Form nach Fig.6 bietet mehrere Möglichkeiten, den
Kolben aus verschiedenen Stücken zusammenzusetzen, besonders die die Kurvenbahn
berührende Kappe so zu gestalten, daß sie den Anforderungen für guten Lauf genügt.
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Das Treibmittel fließt durch die Steuerwelle b nach der Seite, in
der der Kolben die höchste Stellung erreicht, und drückt diesen auf der Kurvenbahn
abwärts. Durch die auftretende rückwirkende Kraft dreht sich dabei der Zylinder,
während der Kolben c in der Zylinderbohrung auf der Kurvenbahn nach abwärts geführt
wird. Kurz vor der untersten Stellung entweicht das Treibmittel durch die feststehende
Steuerwelle und durch die Schlitze im Zylinder, die durch den Kolben gesteuert werden,
und fließt durch die hohle, im Zylinder befestigte, den Kegel l tragende Welle h
aus.
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In Fig. 7 ist die Massendruckkurve dargestellt, die die Treibmittelkurve
nirgends schneidet. An den Stellen, wo ein Schneiden stattfinden würde, müßte ein
Abheben der Kolben von der 'Kurvenbahn erfolgen. Die Figur zeigt aber «-eiter auch
den Einfluß der Steuerung auf diese Abstimmung. In der Figur ist die Treibmitteldrucklinie
mit entsprechenden Steuerpunkten E und A für Einlaß und Auslaß zu ersehen. Die Linie
Pb zeigt eine über dem Kolbenhub aufgetragene Massendruckkurve, die die Treibmitteldruckkurve
schneidet. Die schraffierte Fläche stellt das Gebiet des Abhebens dar. Die Pfeile
deuten die entsprechende Bewegung an. Die Linie Pb, zeigt eine Massendruckkurve,
die an keiner Stelle die Treibmitbeldruckkurve schneidet. Die Linie Pb, zeigt eine
Massendruckkurve, wie man sie durch besondere Gestaltung der Kolben erhalten kann.
In diesem Falle könnte das Treibmitteldruckdiagramm völliger gestaltet werden und
dabei ganz wesentlich an Leistung gewonnen, werden. Hätte man andere Verläufe des
Treibmitteldruckes, so könnten entsprechend andere Massendruckkurven und damit Beschleunigungslinien
der Bahnkurven zugrunde gelegt werden. Verschiedenartige Beschleunigungslinien,
die dem jeweils gewünschten Zweck anzupassen sind, zeigt die Fig.8 in den Linien
b" b2 und b, An den Stellen r ist für Übergang zu sorgen, weil sonst ein
Ruck auftritt. Die dargestellten Beschleunigungslinien ergeben nur unsymmetrische
Formen für die Bahnkurve. Es ist aber auch leicht möglich, symmetrische Kurven zu
erzielen, wenn man die Beschleunigung an den jeweiligen Hubenden gleich groß wählt.
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Wichtig ist vor allem, das Abheben zu vermeiden, weil Abheben Zerstörung
bedeutet. Die Abstimmung selbst ist im allgemeinen für die höchsten Drehzahlen durchzuführen,
die im Betriebe zugelassen werden. Man kann aber die Abstimmung auch für jede andere
Drehzahl durchführen; dies hängt jeweils von dem Anwendungsgebiet der Maschine ab.
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Es isi ohne weiteres einzusehen, daß die beschriebenen Gesamtanordnungen
der Maschine ineinander übergreifen können und die verschiedenen Ausführungsformen
der Einzelteile austauschbar sind. So können beispiels-.
weise bei
allen vorstehend geschilderten Ausführungsformen die, Bauarten der Zylinder, der
Kurvenbahnkörper oder anderer Teile je nach dem Verwendungszweck auch anders gewählt
werden als dargestellt, wenn sie nur einander ängepaßt sind, denn zur Erfindung
gehört nur die Ausbildung der Kolben selbst mit ihren Einzelheiten.